พอยน์ติงเวกเตอร์ และคลื่นเคลื่อนที่ในตัวนำไฟฟ้ ำชั้นดี กสิ ณ ประกอบไวทยกิจ ห้องวิจยั กำรออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ดว้ ยระบบคอมพิวเตอร์ ภำควิชำวิศวกรรมไฟฟ้ ำ คณะวิศวกรรมศำสตร์ มหำวิทยำลัยเชียงใหม่

Download Report

Transcript พอยน์ติงเวกเตอร์ และคลื่นเคลื่อนที่ในตัวนำไฟฟ้ ำชั้นดี กสิ ณ ประกอบไวทยกิจ ห้องวิจยั กำรออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ดว้ ยระบบคอมพิวเตอร์ ภำควิชำวิศวกรรมไฟฟ้ ำ คณะวิศวกรรมศำสตร์ มหำวิทยำลัยเชียงใหม่

่
่
่
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์ และคลืนเคลื
อนที
ใน
้
ตัวนำไฟฟ้ ำชันดี
กสิณ ประกอบไวทยกิจ
ห ้องวิจยั กำรออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิ กส ์ด ้วยระบบคอมพิวเตอร
ควิชำวิศวกรรมไฟฟ้ ำ คณะวิศวกรรมศำสตร ์ มหำวิทยำลัยเชียงใ
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
่ สมกำรของกำลังคลืนที
่ เรี
่ ยกว่ำ ทฤษฎีพอยน์ตงิ
กำลังของคลืน
dD
 H  J
dt
dD
E   H  E J  E
dt
่
จำกทีเรำทรำบว่ำ
  (E  H)  - E    H  H    E
dD
H    E    (E  H)  E  J  E 
dt
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
แต่
dB
 E  
dt
dB
dD
 H
   (E  H)  E  J  E 
dt
dt
หรือ
dE
dH
   (E  H)  E  J   E 
  H 
dt
dt
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
เพรำะว่ำ
และ
d E  d E2 d   E2 

 E

 
dt
2 dt
dt  2 
ดังนั้นจะได ้ว่ำ
2

dH
d H 


 H

dt
dt  2 
d   E2  H 2 

   (E  H)  E  J  

dt  2
2 
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
2
2

d
E H 
dv
    (E  H) dv   E J dv   

dt vol 2
2 
vol
vol
จำกหลักของไดเวอร ์เจนซ ์ จะได ้ว่ำ
   (E H) dv   
s
v
dv 
vol
   D dv
vol
     (E  H) dv  -  (E  H)  d s
vol
s
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
2
2

d
E H 
dv
  (E  H) dv   E  J dv   

dt vol 2
2 
s
vol
2
2

d
E H 

dv


dt vol 2
2 
[watts]
่
้
สะสมใน
พลังงำนทังหมดที
สนำมไฟฟ้ ำและสนำมแม่เหล็ก
่ ำอนุ พน
้
้ ประมำณเพิมขึ
่ นตำม
- เมือท
ั ธ ์ย่อยทำให ้เทอมนี มี
เวลำในปริมำตรนั้น
่
- ทุกเทอมทำงด ้ำนขวำมือเมือรวมกั
นจะกลำยเป็
นก
2
2 ำลัง
 E

d

H
้
่
วั(E
ตต์ทัH)
งหมดที
ไหลเข
้ำJ dv 

dv [watts]
dv

E


s
vol

dt vol 2
2 
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
้
เรำเรียกสมกำรทังสองว่
ำทฤษฎีพอยน์ตงิ และพอยน์ตงิ เวกเตอร ์คือ
  (E H)
[watts/m 2 ]
เรำกำหนดไว ้ว่ำ
E x  Ex0 cos( t   z )
Hy 
Ex0

cos( t   z )
เพรำะฉะนั้นเรำจะได ้ว่ำ
 z az  E xax  H ya y
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
เพรำะฉะนั้น
z 
E x0

cos( t   z )
่
่
เรำสำมำรถหำค่ำเฉลียของควำมหนำแน่
นกำลังคลืนในช่
วง 1 ไซเคิลไ
 z ,avg 
จำกT 

T
E x0

0
cos( t   z ) dt
T
1
f
 z ,avg  f 
1
0
f
E x0

cos( t   z ) dt
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
f E x0

2 
 1  cos( 2t  2z ) dt
1
f
0
1
f E 
1
 f

t
sin( 2t  2z )

2   2
0
2
x0
 z ,avg
2
x0
1E

2 
[watts/m 2 ]
้ นค่ำสูงสุด เพรำะฉะนั้นเรำสำมำรถหำค่ำ RMS ได ้จำกก
- ค่ำนี เป็
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
่
่
้ ใด
่ ๆ สำมำรถหำได ้จ
เพรำะฉะนั้นค่ำเฉลียของก
ำลังทีไหลผ่
ำนพืนที
 z ,avg
1 E x20

S
2 
[watts]
่ S คือพืนที
้ ที
่ ตั
่ งฉำกกั
้
- เมือ
บแกน z
่
่
่ ำนตัวกลำงชนิ ดตัวสื
่ จะเป็
 อน
กรณี ทคลื
ี่ นเคลื
อนที
ผ่
ำไฟฟ้
นเลขเชิ
ำ ค่งำซ ้อน นั่น
j




  j

1

1 j

   m 
พอยน์ตงิ เวกเตอร ์
(Poynting Vector)
จำก
E x  Ex0 e z cos( t   z )
Hy 
Ex0
m
cos( t   z   )
เพรำะฉะนั้นจำก
z  Ex H y 
Ex0
m
e  2 αz cos( t  z ) cos( t  z   )
 z ,avg
1 Ex20 2αz

e cos (θη )
2 m
่
่
่
้
คลืนเคลื
อนที
ในตั
วนำไฟฟ้ ำชันดี
(Good Conductor)
่
่ ำไฟฟ้ ำชันดี
้  จะสูงและยอมให ้กระแสไหลผ่ำนได ้มำก แต่เมือคล
สือน
่ ำนสือน
่ ำไฟฟ้ ำชันดี
้ ก็จะทำให ้เกิดกำรลดทอนสูงตำมไฟด ้วย แล
ทีผ่
แทนเจนต ์สูงตำมไฟด ้วยเพรำะว่ำ

tan 
ω

เพรำะว่ำ
 1
ω
, ,
เรำสำมำรถหำค่ำของ

  j  1  j

จำก
่
่
่
้
คลืนเคลื
อนที
ในตั
วนำไฟฟ้ ำชันดี
(Good Conductor)


  j  j

  j  j
แต่เรำทรำบว่ำ
j  1   90
และ
1   90  1   45 
1
1
j
2
2
่
่
่
้
คลืนเคลื
อนที
ในตั
วนำไฟฟ้ ำชันดี
(Good Conductor)

1 
 1
  j  j  
2
 2
หรือ
  ( j1 1 ) f
เพรำะฉะนั้น
    f
่
่
่
้
คลืนเคลื
อนที
ในตั
วนำไฟฟ้ ำชันดี
(Good Conductor)
จำก
E x  Ex0 e z cos( t   z )
่
ซึงเรำจะได
้ว่ำ
E x  Ex0 e
 z f
cos( t  z f )
ถ ้ำกำหนดให ้
z 0
่ ำไฟฟ้ ำทีดี
่
สือน
z0
้
ฉนวนไฟฟ้ ำชันดี
่
่
่
้
คลืนเคลื
อนที
ในตั
วนำไฟฟ้ ำชันดี
(Good Conductor)
z 0
่ ำไฟฟ้ ำ ซึงจะมี
่
ผิวของสือน
สนำมไฟฟ้ ำในทิศทำง
Ex
่ วของตัวสือน
่ ำไฟฟ้ ำ ซึงจะท
่
สนำมไฟฟ้ ำทีผิ
ำ
่
ำตัวนั้น
ให ้เกิดสนำมไฟฟ้ ำภำยในสือไฟฟ้
j E
ค่ำควำมหนำแน่ นของกระแสกระจั
ดคือ0
่
่
่
้
คลืนเคลื
อนที
ในตั
วนำไฟฟ้ ำชันดี
(Good Conductor)
J วนำคื
Eอ
ค่ำควำมหนำแน่ นของกระแสตั
นั่นคือ
J x   E x  Exo e
z
่
e
ซึงเรำจะเห็นว่ำ
 z f
cos( t  z f )
f
z 0
e 1
z0
่ ๆ
ลดลงเรือย
0
1
z
f
e 1  0.368
สกินเดพท ์ (Skin Depth
่
่
่
้
คลืนเคลื
อนที
ในตั
วนำไฟฟ้ ำชันดี
(Good Conductor)
1
1 1

 
[m]
f  